【導讀】儀表放大器因其高共模抑制比（CMRR）、高輸入阻抗和低噪聲特性，被廣泛用于傳感器信號調理、醫療設備和工業控制等領域。然而，傳統In-Amp（如AD620、INA128）通常采用單端輸出架構，輸入共模范圍（Vcm）受限于電源電壓，且成本較高（單價約3~10美元）。在需要處理 **微小差分信號（μV~mV級）** 且存在 大共模電壓（±10V以上） 的場景（如電橋傳感器、電機電流檢測），傳統方案往往無法滿足需求。
引言
傳統儀表放大器的困境
儀表放大器（Instrumentation Amplifier, In-Amp）因其高共模抑制比（CMRR）、高輸入阻抗和低噪聲特性，被廣泛用于傳感器信號調理、醫療設備和工業控制等領域。然而，傳統In-Amp（如AD620、INA128）通常采用單端輸出架構，輸入共模范圍（Vcm）受限于電源電壓，且成本較高（單價約3~10美元）。在需要處理 **微小差分信號（μV~mV級）** 且存在 大共模電壓（±10V以上） 的場景（如電橋傳感器、電機電流檢測），傳統方案往往無法滿足需求。
本文將提出三種低成本改造方案，通過 單端轉差分電路 和 共模范圍擴展設計 ，利用通用運放（Op-Amp）或低成本In-AMp實現高性能信號調理，并對比各方案的成本與性能邊界。
方案一：基于通用運放的差分輸出儀表放大器
電路架構與原理
通過三級運放組合構建差分輸出，核心設計如下：
1. 輸入級：兩級同相放大器（U1、U2）提供高輸入阻抗與共模抑制；
2. 輸出級：差分放大器（U3）將單端信號轉換為差分輸出，并抑制共模噪聲。
*電路示例：使用OP07運放構建差分輸出In-Amp，總成本<$1.5*
關鍵設計參數
● 增益公式：
● 共模范圍擴展：
輸入級運放采用軌到軌輸入（如MCP6002），可將共模范圍擴展至（V- + 0.1V）~（V+ - 0.1V）。
性能實測（以電橋傳感器為例）
方案二：低成本In-Amp+單端轉差分電路
電路設計
選擇低成本In-Amp（如AD8429，單價$1.8）作為前置放大器，后接差分驅動器（如DRV134）實現單端轉差分輸出。
優勢與局限
● 優勢：
●AD8429支持±18V輸入共模電壓，CMRR≥100dB；
●DRV134提供±10V差分輸出，帶寬達200kHz。
● 局限：
●總成本較高（約$4.5），但比傳統方案（如AD620+AD8476）低40%。
工業應用案例
某電機電流檢測模塊中，采用AD8429+DRV134方案處理±15V共模電壓下的10mV分流器信號，實測噪聲密度≤10nV/√Hz，滿足0.1%精度要求。
方案三：集成差分輸出的低成本In-Amp
器件選型與特性
選擇內置差分輸出的新型In-Amp（如TI INA823，單價$2.5），其特性包括：
● 輸入共模范圍：-Vs + 0.1V ~ +Vs - 0.1V；
● 差分輸出擺幅：±12V（±15V供電）；
● CMRR：110dB（典型值）。
電路簡化設計
INA823應用電路圖
成本與性能對比
設計要點與實戰建議
1. 共模范圍擴展技巧：
●輸入級采用軌到軌運放（如TLC2272）；
●添加共模反饋電路（CMFB），動態調整輸入偏置。
2. 噪聲抑制策略：
●輸入級并聯低通濾波器（截止頻率<1kHz）；
●使用金屬膜電阻（溫漂≤50ppm/℃）降低熱噪聲。
3. PCB布局優化：
●差分走線等長對稱，間距≥3倍線寬；
●電源退耦電容（0.1μF+10μF）貼近芯片引腳。
結語：低成本≠低性能
低成本儀表放大器的設計證明，通過電路架構創新與器件選型優化，高性能與大共模信號處理能力并非高成本方案的專屬領域。通用運放組合方案以不足2美元的成本實現±12V共模范圍，為低頻傳感器場景提供經濟選擇；集成差分輸出的INA823則以均衡性價比覆蓋中高頻精密測量需求；而在工業級超寬共模場景中，AD8429與差分驅動器的組合展現出可靠的抗干擾能力。隨著國產芯片廠商在模擬信號鏈領域的技術突破，低成本高性能儀表放大器將加速滲透至智能傳感、物聯網設備等新興領域，推動高精度信號調理技術的普惠化發展。
（數據來源：ADI）
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